長距離輸水工程調流閥噪聲監控系統設計與應用

楊旭前

(遼寧潤中供水有限責任公司，沈陽，111000)

引言

大伙房水庫輸水工程是解決遼中南地區生活、生產用水的重要供水工程，該工程將遼寧東部地區富裕水資源輸配給遼寧中南部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連7個城市的17座水廠[1]。工程全線共設置7個配水站，通過30個調流閥、兩百多個蝶閥進行流量調控[2]。

調流閥、蝶閥等閥門作為限制流量的開關設備對人產生的最明顯的問題之一就是噪聲，其中以調流閥產生的噪聲最為嚴重，最高可達140dB。《工業企業噪聲衛生標準》中規定，每個工作日所接觸噪聲不得超過85dB[3]。同時，調流閥噪聲和伴生的振動還會影響閥門性能，并且會造成閥門本身鄰近管路及設備的疲勞，從而會降低其使用壽命，甚至可能導致安全事故發生[4]。因此，設計一種調流閥噪聲監測系統對噪聲進行監測與調控，不僅可以減少對現場操作人員帶來的健康危害，同時對延長調流閥的使用壽命，確保輸水工程安全穩定運行都具有重要的意義。

1 調流閥測噪系統設計

1.1 系統結構

大伙房輸水工程調流閥測噪系統是一種全天候噪聲自動監測系統。主要由噪聲監測設備(測噪儀)、數據采集與處理單元(PLC)、遠程顯示終端(上位機)、專用傳輸網絡等組成[5]。整個測噪系統可在無人看管的情況下自動監測調流閥噪聲，并通過網絡將采集的噪聲數據傳輸給遠程上位機進行存儲與顯示，同時可以通過上位機對閥門進行調控來減少噪聲。本系統可以減少人到現場采集數據帶來的健康危害。

本工程調流閥測噪系統分為兩個監控級別：分中心監控級、總調度中心監控級。各分中心負責收集與監控本中心管轄范圍內的調流閥噪聲數據。在各分中心每個調流閥附近安裝有測噪儀，負責自動采集工程現場噪聲情況，并將采集的噪聲值轉換為電信號傳輸給遠端數據采集與處理單元(PLC)。PLC將每個測噪儀采集的噪聲信號進行運算、匯總后傳送給各分中心上位機進行存儲與顯示。總調度中心負責監控工程全線所有調流閥的噪聲值，總調度中心上位機通過專用以太網與各分中心PLC進行通信，將各個分中心PLC傳輸過來的噪聲電信號還原為真實的噪聲信號加以顯示，并將還原的噪聲信號存在本地歷史數據庫中方便日后查詢。大伙房輸水工程調流閥測噪系統結構如圖1所示。

圖1 調流閥測噪系統結構

1.2 系統配置

本系統測噪儀選擇工業用積分式噪聲監測儀，該測噪儀可以對周圍噪聲進行實時監測，并將噪聲信號轉化為4mA～20mA的電流信號進行輸出。該測噪儀具有測量范圍廣、工業適用性好、體積小巧、使用方便等優點。大伙房輸水工程全線一共有30臺調流閥，因此整個系統一共配備30臺噪聲監測儀，測噪儀安裝在每臺調流閥的水平方向1m處。

采集與處理單元利用輸水工程現有SCADA系統的Control Logix5000系列PLC讀取與處理噪聲監測儀采集的電信號。ControlLogix控制系統是羅克韋爾公司的主流產品，具有可靠性高、指令集豐富、聯網通訊能力強、I/O模塊豐富、可擴展性好等優點[6]。每個Control Logix控制器可以執行多個控制任務，因此，本系統利用工程現有PLC處理噪聲數據僅需配置I/O模塊即可，既實現了系統功能又達到節約成本的目的[7]。

系統傳輸網絡分為三部分：①測噪儀器與分中心PLC之間采用通信線纜進行通信；②PLC與分中心的上位機之間的通信方式采用AB公司的ControlNet總線；③各分中心與調度中心之間通信采用以太網方式[8]。

1.3 系統功能

大伙房輸水工程調流閥測噪系統主要具備噪聲歷史數據存儲與查詢、噪聲數據實時顯示、噪聲信號越限與報警等功能。

1.3.1 噪聲數據存儲與查詢

經PLC傳輸上來的噪聲數據會分別存儲于總調度中心與分中心的歷史數據服務器中，總調中心與各分中心可以查詢各自管轄范圍內的調流閥噪聲數據[9]。SCADA系統上位機噪聲數據查詢方式分為曲線查詢和報表查詢。噪聲曲線可以直觀的評價某段時間內的噪聲波動情況，報表數據可以進行Excel導出，可以用來分析某個閥門的噪聲情況便于日常閥門調度。報表查詢如圖2所示。

圖2 調流閥噪聲數據報表查詢示意

1.3.2 噪聲數據實時顯示與調整

SCADA系統上位機監控界面可以顯示工程現場傳送上來調流閥噪聲實時數據。值班人員通過該界面可以直觀地了解當前工程現場的噪聲情況和當前閥門的運行狀態。每個閥門的噪聲監控界面都對應有開度調整按鈕。如果當前閥門運行噪聲高于某分貝值，說明現場環境不適合人長時間工作或閥門處于不利運行工況。因此，可以通過調整并列運行的閥門開度來改善噪聲情況。

1.3.3 噪聲信號越限報警

調流閥噪聲監控系統上位機配有噪聲越限語音與文字報警功能。該功能可以通過事先設定某個給定值，當現場閥門噪聲達到或超過這個給定值時，上位機會在監控界面上同時做出文字報警與語音報警。該功能夠使值班人員快速判斷某個閥門處于不利運行工況，也可以避免值班人員因疏忽而遺漏對某個閥門的監控。噪聲報警提示信息如圖3所示。

圖3 噪聲監控系統報警提示界面

2 調流閥噪聲數據的應用

大伙房輸水工程安全運行3400多天里已經存儲了大量的系統運行數據，結合調流閥噪聲監控系統所存儲的噪聲數據，工程運行人員可以利用這些歷史數據分析當前工程運行概況、總結閥門運行情況，優化閥門的調度操控等。

研究表明調流閥開度跟其所產生的噪聲有一定的對應該系，不同工況下的對應關系又有所區別[12]。以大伙房輸水工程某一支線為例進行分析不同工況下的噪聲與開度的關系。該支線有兩臺調流閥并列運行為某水廠供水。提取這兩臺調流閥近一年的噪聲、開度數據和閥門前后的壓力數據。根據閥門前后不同的壓差把所提出的噪聲數據分為兩組(10m壓差、30m壓差)，并在把同一開度的所有噪聲數據取均值，經過計算機仿真可以得出如下兩組開度與噪聲關系曲線。如圖4、圖5所示。

圖4 10m壓差下開度噪聲關系曲線

圖5 30m壓差下開度噪聲關系曲線

通過兩組曲線我們直觀的看到在開度10%～60%區間時，噪聲隨著開度的變大分貝值增加明顯；而在開度60%～70%時噪聲值處于一個較大值且變化不明顯；隨著開度大于70%以后，噪聲又隨開度增加有所下降。通過對比兩組曲線我們發現，在不同壓差下，同一調流閥的最大噪聲值時不同的。壓差越大，調流閥產生的噪聲越大。10m壓差下該調流閥最大噪聲在84dB左右；而在30m壓差下調流閥的最大噪聲增加到91dB。

由此可見，為了控制現場工況處于一個低噪音情況，閥門應該盡量在低壓差低開度下運行。因此，在流量調節時操作人員可以通過組合兩臺閥門的開度來調控噪音。

3 總結

調流閥噪聲監控系統是基于大伙房水庫輸水工程實際運行經驗及需求開發的在線自動噪聲監控平臺，是對輸水工程現有SCADA系統的有力補充。該系統自開發投入運行已多年，運行實踐表明該系統對監控閥門噪聲、優化閥門調度的作用效果明顯，減少了閥門噪聲對工程運行人員帶來的傷害，保障了大伙房水庫輸水工程的穩定運行與閥門安全，值得相關工程借鑒與參考。該系統是基于現有SCADA系統開發運行的，跨平臺可移植性有所欠缺，目前該系統無法結合閥門噪聲情況進行工況自動調整，這些都將是今后新的研究方向。